عملکرد برتر کربن فعال به عنوان یک جاذب که به دلیل مساحت سطح بسیار متخلخل آن ارزشمند است، به تعدادی از کاربردها در طیف وسیعی از صنایع کمک می کند. یکی از مهم‌ترین موارد استفاده کربن فعال در تصفیه آب و فاضلاب با عنوان فیلتر کربنی است.
یکی از مزایای اصلی کربن فعال این است که می‌توان آن را احیا کرد، به این معنی که کربن «صرف‌شده» یا کربن اشباع شده با اجزای جذب‌شده، می‌تواند دوباره ظرفیت جذب خود را باز یابد و مورد استفاده قرار گیرد.
بازسازی
کربن فعال اگرچه بزرگ است، اما ظرفیت جذب محدودی دارد. در طول دوره استفاده از آن، این ظرفیت کاهش می‌یابد؛ زیرا کربن فعال اجزای بیشتری را روی سطح خود جذب می کند. هنگامی که کربن فعال به ظرفیت خود رسید، دیگر نمی‌توان از آن به طور مؤثر استفاده کرد. کربن “صرف شده” اکنون می‌تواند برای دفع به محل دفن زباله یا زباله سوز فرستاده شود یا از طریق بازسازی بازیافت شود. به طور معمول کربن فعال پودری (PAC) بازسازی نمی‌شود، بلکه دفع می‌شود، در حالی که کربن فعال دانه‌ای (GAC) بازسازی می‌شود که این نوع از کربن بیشتر در فیلتر کربنی مورد استفاده قرار ی گیرد.
بازسازی کربن فعال (فعال سازی مجدد) به حذف مواد جذب شده از کربن فعال با روش‌های فیزیکی یا شیمیایی بدون تخریب ساختار اصلی کربن فعال و بازیابی عملکرد جذب آن به منظور استفاده مجدد اشاره دارد. قبل از انتخاب روش بازسازی کربن فعال، داشتن درک روشنی از جسم تحت درمان و مقیاس درمان مهم است.
فرایند جذب فرایندی است که در آن کربن فعال، مواد جذبی و حلال تعادل جذب را تشکیل می‌دهند. برای آزاد شدن کربن فعال و بازیابی فعالیت آن، شرایط تعادل اولیه باید شکسته شود که اساس آن به شرح زیر است:
- گرمایش خارجی برای افزایش دما برای تغییر شرایط تعادل، زیرا با افزایش دما مقدار جرم جذب شده کاهش می‌یابد و در نتیجه جرم جذب شده دفع می‌شود.
- تغییر خواص شیمیایی ماده جاذب.
- استخراج ماده جاذب با حلالی که میل ترکیبی قوی با ماده جاذب دارد.
- جایگزینی ماده جاذب با ماده‌ای که میل ترکیبی بالایی برای کربن فعال دارد و سپس جذب ماده جایگزین و تولید مجدد کربن فعال.
- کاهش غلظت (فشار) املاح در حلال برای جذب ماده جاذب.
- حذف مواد جذب شده (مواد آلی) با تجزیه یا اکسیداسیون
روش‌های بازسازی کربن فعال
روش‌های بازسازی مختلفی برای کربن فعال وجود دارد، مانند روش بازسازی حرارتی، روش بازسازی بیولوژیکی، روش اکسیداسیون مرطوب، روش بازسازی حلال، روش بازسازی الکتروشیمیایی، روش اکسیداسیون مرطوب کاتالیزوری و غیره.
روش بازسازی حرارتی
روش بازسازی حرارتی یکی از بالغ‌ترین روش‌های احیای کربن فعال در صنعت است. در این روش معمولاً از کوره‌های حرارتی مخصوص این کار مورداستفاده قرار می‌گیرد. در طول فرایند بازسازی کربن فعال پس از تصفیه فاضلاب آلی، به طور کلی به سه مرحله تقسیم می‌شود: خشک کردن، کربن شدن در دمای بالا و فعال سازی با توجه به تغییر ماده آلی هنگام گرم شدن در دماهای مختلف. در مرحله خشک کردن، اجزای فرار روی کربن فعال عمدتاً حذف می‌شوند. در مرحله کربونیزاسیون در دمای بالا، بخشی از ماده آلی جذب شده روی کربن فعال می‌جوشد، تبخیر و دفع می‌شود و بخشی از مواد آلی تجزیه می‌شود و هیدروکربن‌های مولکولی کوچک تولید می‌کنند و واجذب می‌شوند، در حالی که اجزای باقی‌مانده در منافذ کربن فعال باقی می‌مانند. کربنی که باید کربن ثابت شود. در این مرحله دما به 800-900 درجه سانتی گراد می‌رسد. برای جلوگیری از اکسیداسیون کربن فعال، فرایند معمولاً در خلأ یا اتمسفر بی اثر انجام می‌شود. در مرحله بعدی فعال‌سازی، CO2، CO، H2 یا بخار آب وارد رآکتور می‌شوند تا ریز منافذ کربن فعال را تمیز کرده و عملکرد جذب آن را بازیابی کند که کلید کل فرآیند بازسازی است. اگرچه روش بازسازی حرارتی دارای ویژگی‌های راندمان بازسازی بالا و کاربرد گسترده است، اما برای گرمایش در طول فرایند بازسازی به انرژی اضافی نیاز دارد که منجر به هزینه‌های سرمایه گذاری و بهره برداری بالا می‌شود.
روش بازسازی بیولوژیکی
روش بازسازی بیولوژیکی استفاده از باکتری‌های اهلی برای تجزیه مواد آلی جذب شده روی کربن فعال و هضم بیشتر و تجزیه آن به H2O و CO2 است. روش بازسازی بیولوژیکی مشابه روش بیولوژیکی در تصفیه فاضلاب است و روش‌های هوازی و بی هوازی نیز وجود دارد. از آنجایی که اندازه منافذ کربن فعال به خودی خود بسیار کوچک است، برخی فقط چند نانومتر، میکروارگانیسم‌ها نمی‌توانند وارد چنین منافذی شوند و معمولاً اعتقاد بر این است که اتولیز سلولی در طی فرایند بازسازی اتفاق می‌افتد، یعنی آنزیم‌های سلولی به سمت خارج سلولی جریان می‌یابند و کربن فعال وارد این منافذ می‌شود. اثر جذب بر روی آنزیم‌ها، در نتیجه تشکیل یک مرکز آنزیمی بر روی سطح کربن، و ترویج تجزیه آلاینده‌ها و دستیابی به هدف بازسازی. روش بیولوژیکی ساده و آسان برای اجرا، با سرمایه گذاری و هزینه‌های عملیاتی کم است، اما زمان زیادی می‌برد و به شدت تحت تأثیر کیفیت و دمای آب است.
روش بازسازی اکسیداسیون مرطوب
روش بازسازی اکسیداسیون مرطوب به این صورت است که در شرایط دما و فشار بالا، از اکسیژن یا هوا برای اکسید کردن و تجزیه مواد آلی جذب شده روی کربن فعال در فاز مایع به مولکول‌های کوچک استفاده می‌شود. بهترین شرایط احیای کربن فعال به شرح زیر است: دمای بازسازی 230 درجه سانتیگراد، زمان بازسازی 1 ساعت، اکسیژن رسانی PO 20.6 مگاپاسکال، افزودن کربن 15 گرم، افزودن آب 300 میلی لیتر. راندمان بازسازی به 5±45 درصد رسید و پس از 5 چرخه بازسازی، راندمان بازسازی تنها 3 درصد کاهش یافت. اکسیداسیون جزئی ریز منافذ سطح کربن فعال دلیل اصلی کاهش راندمان بازسازی است.
روش بازسازی حلال
روش بازسازی حلال از تعادل فاز بین کربن فعال، حلال و مواد جذب شده برای شکستن تعادل جذب با تغییر دما، مقدار pH حلال و سایر شرایط استفاده می کند تا ماده جذب شده از کربن فعال خارج شود. روش بازسازی حلال برای آن دسته از جذب‌های برگشت‌پذیر مانند جذب پساب‌های آلی با غلظت بالا و نقطه جوش پایین مناسب‌تر است. اغلب یک حلال فقط می‌تواند آلاینده‌های خاصی را دفع کند، در حالی که فرایند تصفیه آب طیف گسترده‌ای از آلاینده‌ها متغیر است، بنابراین کاربرد یک حلال خاص محدود است.
روش بازسازی الکتروشیمیایی
روش بازسازی الکتروشیمیایی نوع جدیدی از فناوری بازسازی کربن فعال است. در این روش کربن فعال بین دو الکترود اصلی پر می‌شود و میدان الکتریکی DC به الکترولیت اضافه می‌شود. کربن فعال تحت اثر میدان الکتریکی قطبی می‌شود، یک سر آن آند و انتهای دیگر کاتد است و یک سلول میکروالکترولیتیک را تشکیل می‌دهد. این روش کارکرد آسانی دارد و راندمان بالا و مصرف انرژی پایینی دارد و هدف تصفیه آن محدودیت‌های کمتری دارد و در صورت کامل بودن فرایند تصفیه می‌توان از آلودگی ثانویه جلوگیری کرد.
روش اکسیداسیون مرطوب کاتالیزوری
بازسازی روش اکسیداسیون مرطوب سنتی راندمان نسبتاً پایین اما مصرف انرژی زیادی دارد. دمای بازسازی دلیل اصلی راندمان بازسازی است، اما افزایش دمای بازسازی باعث افزایش اکسیداسیون سطحی کربن فعال و در نتیجه کاهش راندمان بازسازی می‌شود؛ بنابراین در نظر گرفته می‌شود که کربن فعال را با کمک کاتالیزور با راندمان بالا احیا می کند.
مزایای بازسازی و احیای کربن
استفاده از کربن احیا شده دارای مزایای زیادی است که در زیر خلاصه می‌شود:
- سازگارتر با محیط زیست
- استفاده از کربن احیا شده نسبت به کربن فعال جدید، رویکردی پایدارتر است و انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتری نسبت به تولید و استفاده از کربن فعال جدید دارد.
- کاهش هزینه و مسئولیت
- بازسازی هزینه‌های دفع و تعهدات مربوط به دفع کربن مصرف شده را حذف می کند.
- هزینه‌ها بیشتر کاهش می‌یابد؛ زیرا استفاده از کربن احیا شده هزینه کمتری نسبت به خرید کربن فعال جدید دارد.
